Entwurf und Realisierung eines Selbsttonometers zur kontaktlosen Augeninnendruckmessung als direkt gekoppeltes Sensor-Aktor-System

Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf und die Realisierung eines vollautomatischen Selbsttonometers, mit dem Betroffene ihren Augeninnendruck mehrfach am Tag selbst bestimmen können. Nach einer ausführlichen Analyse des Stands der Technik und der Forschung zur Augeninnendruckmessung (Tonometrie) wird das Verfahren der Luft-Applanations-Tonometrie ausgewählt. Dieses bietet den großen Vorteil, dass zur Durchführung der Messung keine Anästhesie oder Schutzmaßnahmen zur Desinfektion notwendig sind. Nachteilig im Stand der Technik ist jedoch eine hohe Streuung der Messwerte von bis zu 20 %. Daher erfolgt zunächst eine umfassende Betrachtung der Einflüsse auf die Messunsicherheit. Die Biegesteifigkeit der Hornhaut in Abhängigkeit ihrer anatomisch individuellen Dicke besitzt den mit Abstand größten Einfluss auf die Messunsicherheit. Es wird gezeigt, dass nichtlineare Effekte wie die Massenbeschleunigung oder eine messbedingte Druckerhöhung vernachlässigt werden kann. Für eine Verifizierung der Abschätzungen werden die mechanische Modellierung mit einem FEM-Modell und insbesondere die Auswahl der relevanten mechanischen Parameter ausführlich diskutiert. Für die Durchführung der Tonometrie muss die Position des Auges detektiert und eine definierte Messposition angefahren werden. Anschließend wird ein Druckluftstrahl mit definierter Charakteristik erzeugt und auf die Hornhaut des Auges gelenkt. Aus dem Verformungsverhalten, der Applanation, lässt sich der Augeninnendruck bestimmen. Für die Konzeption und den Entwurf des erforderlichen Sensorsystems werden eine Vielzahl von Möglichkeiten diskutiert. Ein neuartiges, direkt gekoppeltes Sensor-Aktor-System zur Erfassung der Position und maximalen Applanation des Auges wird vorgestellt. Im Vergleich zum Stand der Technik wird eine deutlich reduzierte Anzahl an Bauteilen verwendet. Zur Kalibration des Sensorsystems wird ein Messplatz entworfen. Die Erzeugung des instationären, turbulenten Druckluftstrahls wird mit einem Kolbensystem realisiert und empirisch optimiert. Ein System zur messtechnischen Charakterisierung des Luftstrahls wird vorgestellt. Für Funktionstests des Tonometers wird ein neuartiger Ansatz einer technischen Nachbildung des Auges in Form eines Augenphantoms untersucht. Anstelle der üblichen Silikonkalotten repräsentiert eine Folie die Hornhaut des Auges. Die Validierung zeigt, dass das Verformungsverhalten der Folie nicht ausreichend reproduzierbar erfolgt, so dass Silikonkalotten vorzuziehen sind. Zur Validierung des realisierten Labormusters des ersten, handgehaltenen Selbst-Luft-Applanationstonometers werden an insgesamt 40 Augen ärztlich betreute Probandenmessungen durchgeführt, die gleichzeitig zur Kalibration des Geräts dienen. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt eine gegenüber dem Stand der Technik um 4 % reduzierte Messunsicherheit und bestätigt den gewählten Ansatz.

The aim of the present dissertation is the design and realization of a fully automated Self-Tonometer for a simple and convenient measurement of the Intra-Ocular Pressure (IOP) by a user himself several times a day. After presenting the state of the art and research activities regarding the measurement of IOP the contactless so called “Air-Puff”-technology is chosen. This method does not require any anesthetic or means for disinfection. As a disadvantage of the state of the art a high deviation of results up to 20 % must be stated. Thus this work presents a deep analysis of influences on the measurement uncertainty. The stiffness of cornea with a thickness varying from human to human provides the largest impact on the measurement uncertainty. It is shown that nonlinear effects as the acceleration of masses or a measurement-induced increase of IOP may be neglected. For verificiation purposes of these considerations the mechanical modelling of the human eye using FEM is deeply discussed including the choice of relevant mechanical properties. For performing an automated Self-Tonometry the position of the eye needs to be detected and met by a measurement system. Afterwards an air-jet with defined characteristic is generated and applied to the cornea. Analyzing the applanation of the cornea the IOP can be determined. For the concept and design of this required sensor-system numerous approaches are discussed within this work. A new interlinked sensor-actuator-system for the determination of the eye’s position and applanation is presented. Compared to the state of art much less components are used. For calibration purposes of this sensor-system a measurement setup is developed. The generation of the non-steady, turbulent air-jet is realized using a piston chamber and optimized empirically. A system for characterization of the air-jet is presented. For functional tests a new approach of a technical human eye replica is investigated. Instead of usual calottes made of silicone a special membrane is used combined with a special pressure chamber. The analysis shows that the membrane’s distortion is not sufficiently repeatable. Thus conventional silicone calottes are still recommended. For validation of this first hand-held air-puff Self-Tonometer realized as a laboratory model medically cared tests at 40 eyes are performed. These results are statistically used for calibration of the laboratory model. Comparison to the state of the art shows a reduction of measurement uncertainty of 4 % and confirm the chosen concept.